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特許7102560粒子線ビーム輸送装置、回転ガントリ及び粒子線ビーム照射治療システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-07-08
(45)【発行日】2022-07-19
(54)【発明の名称】粒子線ビーム輸送装置、回転ガントリ及び粒子線ビーム照射治療システム
(51)【国際特許分類】
A61N 5/10 20060101AFI20220711BHJP
G21K 1/093 20060101ALI20220711BHJP
G21K 5/04 20060101ALI20220711BHJP
【ＦＩ】
A61N5/10 H
G21K1/093 D
G21K1/093 F
G21K5/04 A
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021009584
(22)【出願日】2021-01-25
(62)【分割の表示】P 2017221362の分割
【原出願日】2017-11-16
(65)【公開番号】P2021065726
(43)【公開日】2021-04-30
【審査請求日】2021-01-25
(31)【優先権主張番号】P 2016222689
(32)【優先日】2016-11-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001380
【氏名又は名称】特許業務法人東京国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】高山 茂貴
(72)【発明者】
【氏名】折笠 朝文
(72)【発明者】
【氏名】長本 義史
(72)【発明者】
【氏名】吉行 健
【審査官】石川 薫
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０３１３００３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１６３３０１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１１－０７２７１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０８３３４４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ａ６１Ｎ ５／１０
Ｇ２１Ｋ １／０９３
Ｇ２１Ｋ ５／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
粒子線ビームが内部を進行する真空ダクトと、前記真空ダクトの屈曲部の周囲に配置されて前記粒子線ビームの進行方向または形状を制御する制御磁石装置と、
前記制御磁石装置よりもビーム進行方向下流側に配置されるとともに前記粒子線ビームの各バンチを偏向して前記粒子線ビームを走査させる走査磁石と、を備え、
前記制御磁石装置は、前記粒子線ビームの進行方向を前記屈曲部に沿って偏向させる偏向磁石、及び前記粒子線ビームを収束させる四極磁石で構成され、
前記制御磁石装置は、前記粒子線ビームの進行方向に沿って並ぶ４つの単位磁石で構成され、
前記粒子線ビームの進行方向の上流側から１つ目及び４つ目の前記単位磁石は同一形状をしており、２つ目及び３つ目の前記単位磁石のそれぞれは、前記１つ目の前記単位磁石の半分の長さを有するとともに、前記２つ目及び３つ目の前記単位磁石が前記粒子線ビームの進行方向に沿って前後に互いに鏡面対称に配置されることで、前記２つ目及び３つ目の前記単位磁石は、全体として、前記１つ目の前記単位磁石と同一形状の磁場を形成可能であることを特徴とする粒子線ビーム輸送装置。
【請求項2】
前記制御磁石装置は複数設けられ、前記制御磁石装置は前記粒子線ビームの進行方向を前記屈曲部に沿って偏向させ、その偏向する角度が、少なくとも２つの前記制御磁石装置で同一である請求項１に記載の粒子線ビーム輸送装置。
【請求項3】
前記制御磁石装置は複数設けられ、前記四極磁石または前記偏向磁石によって構成される前記制御磁石装置の口径が、少なくとも２つの前記制御磁石装置で同一である請求項１に記載の粒子線ビーム輸送装置。
【請求項4】
前記走査磁石は、前記粒子線ビームをビーム進行方向に垂直な第１方向に走査磁場を生成する第１走査磁石対と、
前記ビーム進行方向及び前記第１方向に垂直な第２方向に走査磁場を生成する第２走査磁石対と、を備え、
第１走査磁石対及び第２走査磁石対は、前記ビーム進行方向の同一地点に配置される請求項１に記載の粒子線ビーム輸送装置。
【請求項5】
前記制御磁石装置は、超電導磁石を含む請求項１に記載の粒子線ビーム輸送装置。
【請求項6】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置を備える回転ガントリ。
【請求項7】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の粒子線ビーム輸送装置を備える粒子線ビーム照射治療システム。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、粒子線ビームを患部に照射して治療をする粒子線治療技術に関する。
【背景技術】
【0002】
重粒子イオン等の粒子線ビームを、患者の癌細胞に照射して、治療を行う粒子線治療技術が注目されている。
この粒子線治療技術によれば、正常組織にダメージを与えずに患部のみをピンポイントで死滅させることができるため、手術や投薬治療等と比較して患者への負担が少なく、治療後の社会復帰の早期化も期待することができる。
この粒子線治療技術によれば、正常組織にダメージを与えずに患部のみをピンポイントで死滅させることができるため、手術や投薬治療等と比較して患者への負担が少なく、治療後の社会復帰の早期化も期待することができる。
【0003】
近年、患部の形状や体内深度に応じた最適な線量値及び線量分布の粒子線ビームを患部に付与するため、回転ガントリで照射機を回転移動させる回転方式が脚光を浴びている。
粒子線ビームを照射機まで導く粒子線ビーム輸送装置を回転ガントリで安定的に支持するため、粒子線ビーム輸送装置は、回転ガントリの内外に蛇行して照射機に接続される。よって、粒子線ビーム輸送装置のビーム輸送経路も回転ガントリの内外で蛇行する。
粒子線ビームを照射機まで導く粒子線ビーム輸送装置を回転ガントリで安定的に支持するため、粒子線ビーム輸送装置は、回転ガントリの内外に蛇行して照射機に接続される。よって、粒子線ビーム輸送装置のビーム輸送経路も回転ガントリの内外で蛇行する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１１－７２７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ビーム輸送経路には粒子線ビームの軌道を制御するための多種類の電磁石及びモニタが設けられるため、ビーム輸送装置は複雑化・長尺化する。
このため、従来の技術では、ビーム輸送装置を支持する回転ガントリが大型化して回転の制御性が低下することで、粒子線ビームの照射精度を低下させる懸念があった。
このため、従来の技術では、ビーム輸送装置を支持する回転ガントリが大型化して回転の制御性が低下することで、粒子線ビームの照射精度を低下させる懸念があった。
【0006】
本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、ビーム輸送経路が簡素化・短尺化された粒子線ビーム輸送装置、回転ガントリ及び粒子線ビーム照射治療システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本実施形態に係る粒子線ビーム輸送装置は、粒子線ビーム輸送装置は、粒子線ビームが内部を進行する真空ダクトと、前記真空ダクトの屈曲部の周囲に配置されて前記粒子線ビームの進行方向または形状を制御する制御磁石装置と、前記制御磁石装置よりもビーム進行方向下流側に配置されるとともに前記粒子線ビームの各バンチを偏向して前記粒子線ビームを走査させる走査磁石と、を備え、前記制御磁石装置は、前記粒子線ビームの進行方向を前記屈曲部に沿って偏向させる偏向磁石、及び前記粒子線ビームを収束させる四極磁石で構成され、この制御磁石装置は２等分して、互いに鏡面対称に配置された２等分単位磁石である。
【発明の効果】
【0008】
本発明により、粒子線ビームのビーム輸送経路が簡素化・短尺化された粒子線ビーム輸送装置、回転ガントリ及び粒子線ビーム照射治療システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】粒子線ビーム照射治療システムの概略構成図。
【図2】第１実施形態に係る輸送装置を含む治療室周辺の概略断面図。
【図3】第２実施形態に係る輸送装置が備える機能結合型磁石のｘｙ平面による概略断面図。
【図4】第３実施形態に係る輸送装置の制御磁石装置を構成する超電導コイル群を直線状に展開した分解図。
【図5】第３実施形態に係る輸送装置のｘｙ平面による概略断面図。
【図6】第３実施形態に係る輸送装置の変形例を示す概略図。
【図7】（Ａ）第４実施形態に係る輸送装置の走査磁石を構成するｘ方向走査磁石対の側面図、（Ｂ）同ｘ方向走査磁石対及びｙ方向走査磁石対の配置を示す分解図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
なお、以下、各実施形態及び図面において、粒子線ビームβ（以下、単に「ビームβ」という）の進行方向をｓ方向、このｓ方向に対し直交する方向をｘ方向、ｓ方向及びｘ方向の両方に直交する方向をｙ方向と定義する。
なお、以下、各実施形態及び図面において、粒子線ビームβ（以下、単に「ビームβ」という）の進行方向をｓ方向、このｓ方向に対し直交する方向をｘ方向、ｓ方向及びｘ方向の両方に直交する方向をｙ方向と定義する。
【0011】
まず、図１を用いて、粒子線ビーム照射治療システム１００について概説する。
図１は、粒子線ビーム照射治療システム１００の概略構成図である。
粒子線ビーム照射治療システム１００は、図１に示すように、主に、治療室２００と、加速装置３００と、で構成される。
加速装置３００で加速された炭素イオン等の重粒子イオンεの群が、治療室２００に導かれて患者Ｐの患部に照射される。
図１は、粒子線ビーム照射治療システム１００の概略構成図である。
粒子線ビーム照射治療システム１００は、図１に示すように、主に、治療室２００と、加速装置３００と、で構成される。
加速装置３００で加速された炭素イオン等の重粒子イオンεの群が、治療室２００に導かれて患者Ｐの患部に照射される。
【0012】
加速装置３００は、主に、イオン生成部５０、加速器６０（線形加速器６０ａ，シンクロトロン加速器６０ｂ）及び粒子線ビーム輸送装置（輸送システム）３０（以下、単に「輸送装置３０」という）、で構成される。
イオン生成部５０で生成された重粒子イオンεが、加速器６０内を約百万回周回する間に光速の約７０％まで加速されビームβとなって、輸送装置３０を経由して治療室２００まで導かれる。
イオン生成部５０で生成された重粒子イオンεが、加速器６０内を約百万回周回する間に光速の約７０％まで加速されビームβとなって、輸送装置３０を経由して治療室２００まで導かれる。
【0013】
加速装置３００には、真空ダクト（ビームパイプ）７０が設けられ、この真空ダクト７０内をビームβが進行する。線形加速器６０ａ、シンクロトロン加速器６０ｂ及び輸送装置３０が有する真空ダクト７０が一体になって連続空間を形成し、ビームβをイオン生成部５０から治療室２００まで導くビーム輸送経路を構成する。
【0014】
（第１実施形態）
図２は、第１実施形態に係る輸送装置３０を含む治療室２００の概略断面図である。
輸送装置３０は、図２に示されるように、回転ガントリ２０に載置されて支持される。
回転ガントリ２０は、回転軸（円筒中心）Ｊが水平方向を向くように基礎２４に設置された円筒形状の装置である。回転ガントリ２０の内部空間が治療空間２１を構成する。
治療空間２１には、患者Ｐが回転軸Ｊ上に配置されるように治療台２３が設置される。
図２は、第１実施形態に係る輸送装置３０を含む治療室２００の概略断面図である。
輸送装置３０は、図２に示されるように、回転ガントリ２０に載置されて支持される。
回転ガントリ２０は、回転軸（円筒中心）Ｊが水平方向を向くように基礎２４に設置された円筒形状の装置である。回転ガントリ２０の内部空間が治療空間２１を構成する。
治療空間２１には、患者Ｐが回転軸Ｊ上に配置されるように治療台２３が設置される。
【0015】
回転ガントリ２０が輸送装置３０を安定的に支持するために、輸送装置３０は、回転軸Ｊに沿って回転ガントリ２０内に進入し、屈曲して回転ガントリ２０の側壁から外部に一旦突き出て、再度治療空間２１側の内部空間に入り込んで固定される。
輸送装置３０の各所には、ビームβの進行方向または形状を制御する制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）が配置される。
輸送装置３０の各所には、ビームβの進行方向または形状を制御する制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）が配置される。
【0016】
次に、第１実施形態に係る輸送装置３０について、引き続き図２を用いて説明する。
第１実施形態に係る輸送装置３０は、ビームβの各バンチを偏向してビームβを走査させる走査磁石３２が、制御磁石装置３１よりもｓ方向下流側に配置される。
第１実施形態に係る輸送装置３０は、ビームβの各バンチを偏向してビームβを走査させる走査磁石３２が、制御磁石装置３１よりもｓ方向下流側に配置される。
【0017】
走査磁石３２は、飛来してくる重粒子イオンεをバンチ単位で偏向することで、各バンチを患部における適所に照射させる。
走査磁石３２がバンチ単位でビームβを走査させることで、ビームβのｘｙ平面による断面形状は、全体として患部の形状にまで拡大される。
走査磁石３２がバンチ単位でビームβを走査させることで、ビームβのｘｙ平面による断面形状は、全体として患部の形状にまで拡大される。
【0018】
制御磁石装置３１は、図２に例示されるように、回転ガントリ２０による支持箇所周辺で蛇行するビーム輸送経路における通常３つの屈曲部の各々に設けられる。
これらの制御磁石装置３１を便宜上、ｓ方向上流側から順に第１制御磁石装置３１ａ、第２制御磁石装置３１ｂ及び第３制御磁石装置３１ｃと呼ぶ。
これらの制御磁石装置３１はビームβをビーム輸送経路に沿って偏向し、その偏向角は全ての制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）で同一としている。なお、以下の説明では一例として９０度としている。
走査磁石３２は、これら全ての制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）よりもｓ方向下流側に配置されることになる。
なお、走査磁石３２の下流側には、例えば、ビームβの性状を確認するビームモニタや、リッジフィルタなどのフィルタ類、ビーム窓等が適宜配置される。
これらの制御磁石装置３１を便宜上、ｓ方向上流側から順に第１制御磁石装置３１ａ、第２制御磁石装置３１ｂ及び第３制御磁石装置３１ｃと呼ぶ。
これらの制御磁石装置３１はビームβをビーム輸送経路に沿って偏向し、その偏向角は全ての制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）で同一としている。なお、以下の説明では一例として９０度としている。
走査磁石３２は、これら全ての制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）よりもｓ方向下流側に配置されることになる。
なお、走査磁石３２の下流側には、例えば、ビームβの性状を確認するビームモニタや、リッジフィルタなどのフィルタ類、ビーム窓等が適宜配置される。
【0019】
従来では、走査磁石は、第２制御磁石装置３１ｂと第３制御磁石装置３１ｃとの間に配置されていた。
この配置位置がビームβの軌道が回転ガントリ２０の回転軸Ｊに平行になる箇所である結果、走査磁石の長辺が回転軸Ｊに平行になっていた。
この配置位置がビームβの軌道が回転ガントリ２０の回転軸Ｊに平行になる箇所である結果、走査磁石の長辺が回転軸Ｊに平行になっていた。
【0020】
一方、第１実施形態に係る輸送装置３０では、走査磁石３２の配置位置が、ビームβの軌道が回転軸Ｊに垂直になる箇所になる。
つまり、略水平に配置されていた走査磁石３２の長辺を１／４回転させて略鉛直に配置することで、回転軸Ｊに沿った方向の輸送装置３０の占有長さを短くすることができる。
つまり、略水平に配置されていた走査磁石３２の長辺を１／４回転させて略鉛直に配置することで、回転軸Ｊに沿った方向の輸送装置３０の占有長さを短くすることができる。
【0021】
また、治療空間２１が大きい場合は、図２に示されるように、第３制御磁石装置３１ｃのｓ方向下流側を走査磁石３２ごと治療空間２１内に突出させて配置することもできる。
この場合、輸送装置３０の回転半径を増加させずに、回転軸Ｊに沿った方向の輸送装置３０の占有長さを短くすることができる。
従って、いずれにおいても、制御磁石装置３１を支持する回転ガントリ２０を小型化及び軽量化することができる。
この場合、輸送装置３０の回転半径を増加させずに、回転軸Ｊに沿った方向の輸送装置３０の占有長さを短くすることができる。
従って、いずれにおいても、制御磁石装置３１を支持する回転ガントリ２０を小型化及び軽量化することができる。
【0022】
また、走査磁石３２による走査でビームβの径が大きくなるため、従来では、その下流側の第３制御磁石装置３１ｃは、この部分の真空ダクト７０とともに口径を大きくする必要があった。
また、口径が大きくなることで、第３制御磁石装置３１ｃが大型になるとともに、内部の磁石間距離が離れ、磁場生成効率が低下していた。
また、口径が大きくなることで、第３制御磁石装置３１ｃが大型になるとともに、内部の磁石間距離が離れ、磁場生成効率が低下していた。
【0023】
しかし、第１実施形態に係る輸送装置３０では、走査磁石３２が第３制御磁石装置３１ｃの下流側に配置されるので、第３制御磁石装置３１ｃを小型で高い磁場生成効率にすることができる。
さらに、第３制御磁石装置３１ｃの口径を拡大させずにすむので、偏向角が同一の制御磁石装置３１を複数ビーム輸送経路に設けた場合、同一製品点数が増え、生産効率を向上させることができる。
なお、制御磁石装置３１の口径は、最も内層（真空ダクト７０に近い位置）に対向して配置される磁石（対向する四極磁石または偏向磁石）の距離で規定される。
また、制御磁石装置３１の偏向角を４５度や３０度などの９０度を自然数で割った値の組み合わせで構成することで、第１制御磁石装置３１ａ及び第２制御磁石装置３１ｂと第３制御磁石装置３１ｃとを同一製品にすることができ、生産効率を向上させることができる。
さらに、通常ビーム輸送経路は３つの屈曲部で構成されるため、偏向角を９０度とすることで、同一製品で制御磁石装置３１を統一し、かつ、最小の製品点数とすることが可能となるので、生産効率をさらに向上させることができる。
さらに、第３制御磁石装置３１ｃの口径を拡大させずにすむので、偏向角が同一の制御磁石装置３１を複数ビーム輸送経路に設けた場合、同一製品点数が増え、生産効率を向上させることができる。
なお、制御磁石装置３１の口径は、最も内層（真空ダクト７０に近い位置）に対向して配置される磁石（対向する四極磁石または偏向磁石）の距離で規定される。
また、制御磁石装置３１の偏向角を４５度や３０度などの９０度を自然数で割った値の組み合わせで構成することで、第１制御磁石装置３１ａ及び第２制御磁石装置３１ｂと第３制御磁石装置３１ｃとを同一製品にすることができ、生産効率を向上させることができる。
さらに、通常ビーム輸送経路は３つの屈曲部で構成されるため、偏向角を９０度とすることで、同一製品で制御磁石装置３１を統一し、かつ、最小の製品点数とすることが可能となるので、生産効率をさらに向上させることができる。
【0024】
以上のように、第１実施形態に係る輸送装置３０によれば、ビーム輸送経路を回転軸Ｊの方向に短尺化することができる。
また、輸送装置３０の短尺化によって、回転ガントリ２０を小型化及び軽量化することができる。
さらに、制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）を同一製品で統一することができるので、構造が簡素になり、生産効率を向上させることができる。
また、輸送装置３０の短尺化によって、回転ガントリ２０を小型化及び軽量化することができる。
さらに、制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）を同一製品で統一することができるので、構造が簡素になり、生産効率を向上させることができる。
【0025】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る輸送装置３０が備える機能結合型磁石３８（３８ａ）のｘｙ平面による概略断面図である。
図３は、第２実施形態に係る輸送装置３０が備える機能結合型磁石３８（３８ａ）のｘｙ平面による概略断面図である。
【0026】
第２実施形態に係る輸送装置３０は、図３に示されるように、制御磁石装置３１が同一位置においてビームβを偏向する機能と、ビームβの収束及び発散を制御する機能と、を発揮する機能結合型磁石３８である。
【0027】
制御磁石装置３１は、多くの場合、偏向磁石３３及び四極磁石３４で構成される。
四極磁石３４は、ビームβの収束及び発散を制御する。つまり、四極磁石３４は、ビームβのｓ方向に垂直な断面（ｘｙ平面による断面）の形状を制御する。
偏向磁石３３は、真空ダクト７０の屈曲部に配置され、偏向磁場を発生させてビームβを屈曲部の曲率に沿って偏向させる。
通常は、偏向磁石３３は対向する２つの偏向用コイル３３ａ，３３ｂで構成されるが、２つ以外のコイルで構成してもよい。
四極磁石３４は、ビームβの収束及び発散を制御する。つまり、四極磁石３４は、ビームβのｓ方向に垂直な断面（ｘｙ平面による断面）の形状を制御する。
偏向磁石３３は、真空ダクト７０の屈曲部に配置され、偏向磁場を発生させてビームβを屈曲部の曲率に沿って偏向させる。
通常は、偏向磁石３３は対向する２つの偏向用コイル３３ａ，３３ｂで構成されるが、２つ以外のコイルで構成してもよい。
【0028】
これら四極磁石３４及び偏向磁石３３がそれぞれ生成する磁場形状をｓ方向の同一地点で発生させることで、機能結合型磁石３８を実現することができる。
以下、より具体的に機能結合型磁石３８について説明する。
以下、より具体的に機能結合型磁石３８について説明する。
【0029】
四極磁石３４は、通常、４つの整形用励磁コイル３４1～３４4が真空ダクト７０の周上にビームβの軌道を軸として線対称に配置される。
整形用励磁コイル３４1～３４4が励磁されることで、真空ダクト７０の内部ギャップに、四極磁場Ｂｆが発生する。
整形用励磁コイル３４1～３４4が励磁されることで、真空ダクト７０の内部ギャップに、四極磁場Ｂｆが発生する。
【0030】
図３の四極磁石３４は、各重粒子イオンに働くローレンツ力によって、ビームβをｘ方向に発散させ、ｙ方向に収束させる。
四極磁石３４は、ｓ方向に沿って、例えば３セット配置されて１つの制御磁石装置３１（例えば、第１制御磁石装置３１ａ）を構成する。隣り合う四極磁石３４を流れる直流電流を逆向きに流すことで、各四極磁石３４に発生する四極磁場Ｂｆを逆向きにさせる。
四極磁場Ｂｆの向きを各四極磁石３４で逆向きにすることで、ビームβの断面はｘ方向及びｙ方向に収束と発散とを繰り返して整形される。
四極磁石３４は、ｓ方向に沿って、例えば３セット配置されて１つの制御磁石装置３１（例えば、第１制御磁石装置３１ａ）を構成する。隣り合う四極磁石３４を流れる直流電流を逆向きに流すことで、各四極磁石３４に発生する四極磁場Ｂｆを逆向きにさせる。
四極磁場Ｂｆの向きを各四極磁石３４で逆向きにすることで、ビームβの断面はｘ方向及びｙ方向に収束と発散とを繰り返して整形される。
【0031】
なお、図３では、説明を簡単にするため、偏向磁石３３が生成する偏向磁場については、図示を省略している。実際の磁場は、四極磁場Ｂｆ及び偏向磁場の重ね合わせたものになる。
また、一例として、４個の整形用励磁コイル３４1～３４4から構成される四極磁石３４を示したが、励磁コイルの数及び極数は４個以上であってもよい。
また、一例として、４個の整形用励磁コイル３４1～３４4から構成される四極磁石３４を示したが、励磁コイルの数及び極数は４個以上であってもよい。
【0032】
常伝導コイルを用いた四極磁石３４及び偏向磁石３３には、鉄心を構成するリターンヨーク３６（３６ａ，３６ｂ）に磁極３５（３５ａ，３５ｂ）を設けることで磁場形状を設計する。
従来では、四極磁石３４と偏向磁石３３とを同心円上に配置せず、ｓ方向の前後にずらして配置していた。
よって、制御磁石装置３１が長尺化する結果、輸送装置３０の長尺化を招いていた。
従来では、四極磁石３４と偏向磁石３３とを同心円上に配置せず、ｓ方向の前後にずらして配置していた。
よって、制御磁石装置３１が長尺化する結果、輸送装置３０の長尺化を招いていた。
【0033】
そこで、第２実施形態では、例えば配置の妨げになる部分の鉄心（リターンヨーク３６及び磁極）を取り除き、または鉄心を大きくすることで四極磁石３４と偏向磁石３３とをビームβの軌道を中心に同心円状であってｓ方向の同一地点に配置する。
【0034】
四極磁石３４と偏向磁石３３とをｓ方向の同一地点に配置することで、同一地点でビームβの整形及び偏向をする機能結合型磁石３８を実現することができる。
この結果、制御磁石装置３１が短尺化され、第１実施形態の効果と同様に、輸送装置３０のうち、回転ガントリ２０で支持される部分の回転軸Ｊ方向の長さを短尺化することができる。
この結果、制御磁石装置３１が短尺化され、第１実施形態の効果と同様に、輸送装置３０のうち、回転ガントリ２０で支持される部分の回転軸Ｊ方向の長さを短尺化することができる。
【0035】
なお、機能結合型磁石３８には、各構成磁石３３，３４に超電導磁石を用いることが好適である。超電導磁石を用いた機能結合型磁石３８については、第３実施形態で説明する。
また、機能結合型磁石３８は、ビームβの整形機能及び偏向機能を有していれば、励磁コイルを四極磁石３４と偏向磁石３３とに明確に区別して構成しなくてもよい。
また、機能結合型磁石３８は、ビームβの整形機能及び偏向機能を有していれば、励磁コイルを四極磁石３４と偏向磁石３３とに明確に区別して構成しなくてもよい。
【0036】
なお、機能結合型磁石３８を用いること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【0037】
このように、第２実施形態に係る輸送装置３０によれば、制御磁石装置３１を短尺化することができるので、第１実施形態の効果に加え、さらに輸送装置３０を短尺化することができる。
【0038】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る輸送装置３０の制御磁石装置３１を構成する超電導コイルの群を展開した分解図である。
図４では、簡単のため、ビーム輸送経路を直線状に記載しているが、実際は、ビーム輸送経路が湾曲しているため、これに合わせて超電導コイルも湾曲している。
また、図５は、第３実施形態に係る輸送装置３０のｘｙ平面による概略断面図である。
図４は、第３実施形態に係る輸送装置３０の制御磁石装置３１を構成する超電導コイルの群を展開した分解図である。
図４では、簡単のため、ビーム輸送経路を直線状に記載しているが、実際は、ビーム輸送経路が湾曲しているため、これに合わせて超電導コイルも湾曲している。
また、図５は、第３実施形態に係る輸送装置３０のｘｙ平面による概略断面図である。
【0039】
第３実施形態に係る輸送装置３０は、図４及び図５に示されるように、制御磁石装置３１の少なくとも一部を超電導磁石で構成する。
つまり、四極磁石３４、偏向磁石３３または機能結合型磁石３８（３８ｂ）、若しくはこれらの一部を超電導磁石で構成する。
つまり、四極磁石３４、偏向磁石３３または機能結合型磁石３８（３８ｂ）、若しくはこれらの一部を超電導磁石で構成する。
【0040】
走査磁石３２を第３制御磁石装置３１ｃの下流側に配置すると、輸送装置３０の回転半径が増加してしまうことがある。
しかし、ビーム輸送経路のうち制御磁石装置３１の配置箇所の曲率半径を小さくすることで、この回転半径を小さくすることができる。
そこで、第３実施形態では、構成磁石３３，３４，３８を超電導磁石で構成し、強い偏向磁場を発生させて、小さい曲率半径でビームβを偏向させる。
しかし、ビーム輸送経路のうち制御磁石装置３１の配置箇所の曲率半径を小さくすることで、この回転半径を小さくすることができる。
そこで、第３実施形態では、構成磁石３３，３４，３８を超電導磁石で構成し、強い偏向磁場を発生させて、小さい曲率半径でビームβを偏向させる。
【0041】
超電導コイルは、NbTiやNb3Sn、Nb3Al、MgB2などの低温超電導体、またはBi2Sr2Ca2Cu3O10線材やREB2C3O7線材などの高温超電導体で構成される。ここで、「REB2C3O7」の「RE」は希土類元素を表している。
低温超電導体の場合、延性があるため、上述の曲面を容易に形成することができる。一方、高温超電導体の場合、高温で超電導状態に転移するため冷却負荷が軽減され、運転効率が向上する。
低温超電導体の場合、延性があるため、上述の曲面を容易に形成することができる。一方、高温超電導体の場合、高温で超電導状態に転移するため冷却負荷が軽減され、運転効率が向上する。
【0042】
構成磁石３３，３４，３８は、超電導状態を維持するため、断熱容器３９に冷凍媒体（図示略）とともに密閉収容される。
冷却媒体は、液体窒素や液体ヘリウム等の液体媒体、または冷凍機から供給される冷熱を構成磁石３３，３４，３８まで熱伝導させる高純度アルミなどの固体媒体である。
冷却媒体は、液体窒素や液体ヘリウム等の液体媒体、または冷凍機から供給される冷熱を構成磁石３３，３４，３８まで熱伝導させる高純度アルミなどの固体媒体である。
【0043】
ところで、常伝導コイルでは、第２実施形態で示したように、磁極３５（３５ａ，３５ｂ）が、四極磁石３４及び偏向磁石３３のそれぞれの周辺空間を包囲する。
よって、磁極３５が空間を占有し、四極磁石３４に対する偏向磁石３３の配置を自由に設計することができない。
よって、磁極３５が空間を占有し、四極磁石３４に対する偏向磁石３３の配置を自由に設計することができない。
【0044】
しかし、超電導磁石４１を用いる場合、鉄の磁気飽和の観点等から、通常、超電導コイルに磁極を用いずに磁場形状を形成させる。
よって、構成磁石３３，３４を超電導磁石４１で構成することで、これらをｓ方向の同一地点に同心円状に配置し、機能結合型磁石３８（３８ｂ）にすることができる。
つまり、磁極を用いないことで、図５に示されるように、偏向磁石３３を四極磁石３４の外周に積層することができる。
よって、構成磁石３３，３４を超電導磁石４１で構成することで、これらをｓ方向の同一地点に同心円状に配置し、機能結合型磁石３８（３８ｂ）にすることができる。
つまり、磁極を用いないことで、図５に示されるように、偏向磁石３３を四極磁石３４の外周に積層することができる。
【0045】
ここで、図６は、第３実施形態に係る輸送装置３０の変形例を示す概略図である。
通常、１つの制御磁石装置３１（例えば、第１制御磁石装置３１ａ）において、ビームβが収束－発散－収束、または発散－収束－発散となるように、３つの四極磁石３４をｓ方向に沿って直列に配置する。
３つの四極磁石３４を、以下、ｓ方向上流側から順に、第１四極磁石３４ａ、第２四極磁石３４ｂ及び第３四極磁石３４ｃと呼ぶ。
通常、１つの制御磁石装置３１（例えば、第１制御磁石装置３１ａ）において、ビームβが収束－発散－収束、または発散－収束－発散となるように、３つの四極磁石３４をｓ方向に沿って直列に配置する。
３つの四極磁石３４を、以下、ｓ方向上流側から順に、第１四極磁石３４ａ、第２四極磁石３４ｂ及び第３四極磁石３４ｃと呼ぶ。
【0046】
第１実施形態でも述べたように、制御磁石装置３１を効率的に生産するには、できるだけ製品を統一して部品の種類を少なくすることが望ましい。
また、制御磁石装置３１の配置位置のずれを防止する観点からも、制御磁石装置３１の部品点数を少なくすることが望ましい。
また、制御磁石装置３１の配置位置のずれを防止する観点からも、制御磁石装置３１の部品点数を少なくすることが望ましい。
【0047】
そこで、制御磁石装置３１を３つの単位磁石で構成することに代えて、図６に示されるように、第２四極磁石３４ｂを２等分して、互いに鏡面対称に配置された２等分単位磁石４２で構成する。
この結果、１つの２等分単位磁石４２に含まれる第２四極磁石３４ｂのｓ方向に沿った長さは、第１四極磁石３４a及び第３四極磁石３４ｃのｓ方向に沿った長さの半分になる。
この結果、１つの２等分単位磁石４２に含まれる第２四極磁石３４ｂのｓ方向に沿った長さは、第１四極磁石３４a及び第３四極磁石３４ｃのｓ方向に沿った長さの半分になる。
【0048】
２つの第２四極磁石３４ｂ（３４ｂ1，３４ｂ2）を同一配置にして、図６中のＩＩ－ＩＩ断面及びＩＩＩ－ＩＩＩ断面における磁場分布を同一にすることで、第２四極磁石３４ｂは、分割配置されても全体として１つの四極磁石としての機能を維持する。
なお、同一製品の２等分単位磁石４２が鏡面対称に配置されるため、Ｉ－Ｉ断面がＩＶ－ＩＶ断面と同一になる。
なお、同一製品の２等分単位磁石４２が鏡面対称に配置されるため、Ｉ－Ｉ断面がＩＶ－ＩＶ断面と同一になる。
【0049】
また、第１実施形態で述べたように、走査磁石３２を第３制御磁石装置３１ｃの下流側に配置することで、各制御磁石装置３１（３１ａ～３１ｃ）を同一製品にすることができる。
つまり、１種類の２等分単位磁石４２を組み合わせて、全ての制御磁石装置３１を構成することができることになる。
つまり、１種類の２等分単位磁石４２を組み合わせて、全ての制御磁石装置３１を構成することができることになる。
【0050】
なお、制御磁石装置３１に超電導磁石を用いること及び超電導磁石を用いることで機能結合型磁石３８ｂを構成すること以外は、第３実施形態は第２実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【0051】
このように、第３実施形態に係る輸送装置３０によれば、第２実施形態の効果に加え、大きな直流電流を流すことができるので、回転ガントリ２０に載置された部分の輸送装置３０を小型にすることができる。
つまり、輸送装置３０を、回転軸Ｊ方向にも、回転半径方向にも、短尺化することができる。
また、単一の２等分単位磁石４２を２つ組み合わせて１つの制御磁石装置３１にすることで、制御磁石装置３１を効率的に生産することができる。
つまり、輸送装置３０を、回転軸Ｊ方向にも、回転半径方向にも、短尺化することができる。
また、単一の２等分単位磁石４２を２つ組み合わせて１つの制御磁石装置３１にすることで、制御磁石装置３１を効率的に生産することができる。
【0052】
（第４実施形態）
図７（Ａ），（Ｂ）は、第４実施形態に係る輸送装置３０の走査磁石３２の概略構成図である。
図７（Ａ）は、ビームβをｘ方向に走査させるｘ方向走査磁石対（第１走査磁石対）４４ａの側面図を示す。
また、図７（Ｂ）は、ｘ方向走査磁石対４４ａ及びｙ方向走査磁石対（第２走査磁石対）４４ｂの配置を示す分解図である。
なお、図７（Ｂ）では、通常複数組のコイルから構成されるｘ方向及びｙ方向の走査磁石対４４（４４ａ，４４ｂ）を、簡単のため、１組ずつのみ記載している。
図７（Ａ），（Ｂ）は、第４実施形態に係る輸送装置３０の走査磁石３２の概略構成図である。
図７（Ａ）は、ビームβをｘ方向に走査させるｘ方向走査磁石対（第１走査磁石対）４４ａの側面図を示す。
また、図７（Ｂ）は、ｘ方向走査磁石対４４ａ及びｙ方向走査磁石対（第２走査磁石対）４４ｂの配置を示す分解図である。
なお、図７（Ｂ）では、通常複数組のコイルから構成されるｘ方向及びｙ方向の走査磁石対４４（４４ａ，４４ｂ）を、簡単のため、１組ずつのみ記載している。
【0053】
【0054】
走査磁石３２は、ｘ方向走査磁石対４４ａと、ｙ方向走査磁石対４４ｂと、で構成される。
ｘ方向走査磁石対４４ａは、ｙ方向に沿って真空ダクト７０を挟んで対向して設けられ、ｙ方向に走査磁場Ｂｓを発生させて、ビームβをｘ方向に走査させる。
ｙ方向走査磁石対４４ｂは、ｘ方向に沿って真空ダクト７０を挟んで対向して設けられ、ｘ方向に走査磁場Ｂｓを発生させて、ビームβをｙ方向に走査させる。
磁場強度を高くするため、複数組の走査磁石対４４が、同心円状に配置される。
ｘ方向走査磁石対４４ａは、ｙ方向に沿って真空ダクト７０を挟んで対向して設けられ、ｙ方向に走査磁場Ｂｓを発生させて、ビームβをｘ方向に走査させる。
ｙ方向走査磁石対４４ｂは、ｘ方向に沿って真空ダクト７０を挟んで対向して設けられ、ｘ方向に走査磁場Ｂｓを発生させて、ビームβをｙ方向に走査させる。
磁場強度を高くするため、複数組の走査磁石対４４が、同心円状に配置される。
【0055】
走査磁石３２は、四極磁石３４等と同様に電磁石で構成されるので、従来走査磁場Ｂｓの磁場形状は磁極の形状で調整されていた。
よって、従来では、例えばｘ方向走査磁石対４４ａを上流側、ｙ方向走査磁石対４４ｂを下流側、のように、ｘ方向走査磁石対４４ａとｙ方向走査磁石対４４ｂとの位置を、ｓ方向に前後にずらして直列配置されていた。
よって、従来では、例えばｘ方向走査磁石対４４ａを上流側、ｙ方向走査磁石対４４ｂを下流側、のように、ｘ方向走査磁石対４４ａとｙ方向走査磁石対４４ｂとの位置を、ｓ方向に前後にずらして直列配置されていた。
【0056】
しかし、ｘ方向の走査磁場Ｂｓによってビームβはｙ方向に広がるので、走査磁石対４４（４４ａ，４４ｂ）をｓ方向にずらして配置すると、下流側のｙ方向走査磁石対４４ｂの磁石間距離が広がる。つまり、ｘ方向走査磁石対４４ａでビームβを広く走査させると、ｙ方向走査磁石対４４ｂにおける口径が大きくなる。
よって、ｘ方向の走査磁場Ｂｓを強める等してｙ方向に大きな照射野を確保すると、これに伴いｙ方向の磁場発生効率が低下する。
よって、ｘ方向の走査磁場Ｂｓを強める等してｙ方向に大きな照射野を確保すると、これに伴いｙ方向の磁場発生効率が低下する。
【0057】
よって、ｘ方向に十分な照射野を確保するためには、ｙ方向走査磁石対４４ｂを大型にする必要があった。
また、走査磁石３２を最下流に配置した場合、ｙ方向走査磁石対４４ｂを大型にすることで、回転ガントリ２０の回転による輸送装置３０の回転半径が増加してしまうことがある。
そこで、第４実施形態では、配置を妨げる部分の磁極を削除し、ｘ方向走査磁石対４４ａとｙ方向走査磁石対４４ｂとをｓ方向の同一の位置に同心円状に配置する。
また、走査磁石３２を最下流に配置した場合、ｙ方向走査磁石対４４ｂを大型にすることで、回転ガントリ２０の回転による輸送装置３０の回転半径が増加してしまうことがある。
そこで、第４実施形態では、配置を妨げる部分の磁極を削除し、ｘ方向走査磁石対４４ａとｙ方向走査磁石対４４ｂとをｓ方向の同一の位置に同心円状に配置する。
【0058】
コイルで構成される走査磁石３２は、ビームβの進行を妨げずにビームβの近くに配置されるように、例えば図７（Ａ）に示されるように鞍型形状に成形されて配置される。
鞍型形状とは、コイルの対向する２つの円弧部を直線部で接続したいわゆるトラック形状において、円弧部分を湾曲して直線部と非同一平面上になる形状のことである。
鞍型形状とは、コイルの対向する２つの円弧部を直線部で接続したいわゆるトラック形状において、円弧部分を湾曲して直線部と非同一平面上になる形状のことである。
【0059】
この鞍型形状のコイルを、真空ダクト７０を包囲する非磁性金属等の渦電流が発生しない素材のベース４６の表面に設置する。
また、この内側の走査磁石対４４（例えば、ｘ方向走査磁石対４４ａ）の外側に、ｙ方向走査磁石対４４ｂのコイルを絶縁性を維持して積層させる。
なお、走査磁石対４４の形状は、ビームβの進路を確保するものであれば、鞍型形状に限定されない。
また、この内側の走査磁石対４４（例えば、ｘ方向走査磁石対４４ａ）の外側に、ｙ方向走査磁石対４４ｂのコイルを絶縁性を維持して積層させる。
なお、走査磁石対４４の形状は、ビームβの進路を確保するものであれば、鞍型形状に限定されない。
【0060】
なお、ｘ方向走査磁石対４４ａ及びｙ方向走査磁石対４４ｂをｓ方向の同一地点に配置すること以外は、第４実施形態は第１実施形態と同じ構造及び動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【0061】
このように、第４実施形態に係る輸送装置３０によれば、第１実施形態の効果に加え、十分な照射野を確保して走査開始地点から患部までの距離を短くすることができる。
また、回転ガントリ２０に支持された輸送装置３０の回転半径の増加を抑制することができる。
また、回転ガントリ２０に支持された輸送装置３０の回転半径の増加を抑制することができる。
【0062】
以上述べた少なくとも一つの実施形態の輸送装置３０によれば、走査磁石３２を第３制御磁石装置３１ｃのｓ方向下流側に配置することにより、ビーム輸送経路を簡素化・短尺化することが可能になる。
【0063】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【0064】
例えば、輸送装置３０のうち、回転ガントリ２０に載置される部分は回転ガントリ２０、すなわち回転ガントリ２０と一体に製造される場合がある。
【符号の説明】
【0065】
１００…粒子線ビーム照射治療システム、２００…治療室、３００…加速装置、２０…回転ガントリ、２１…治療空間、２３…治療台、２４…基礎、３０…輸送装置、３１（３１ａ～３１ｃ）…制御磁石装置（第１制御磁石装置，第２制御磁石装置，第３制御磁石装置）、３２…走査磁石、３３…偏向磁石（構成磁石）、３３ａ，３３ｂ（３３）…偏向用コイル、３４（３４ａ～３４ｃ）…四極磁石（構成磁石）、３４１～３４４（３４）…整形用励磁コイル、３５（３５ａ，３５ｂ）…磁極、３６（３６ａ，３６ｂ）…リターンヨーク、３７…超電導コイル、３８（３８ａ，３８ｂ）…機能結合型磁石（構成磁石）、３９…断熱容器、４１…超電導磁石、４２…単位磁石、４４（４４ａ，４４ｂ）…走査磁石対（ｘ方向走査磁石対，ｙ方向走査磁石対）、４６…ベース、５０…イオン生成部、６０（６０ａ，６０ｂ）…加速器（線形加速器，シンクロトロン加速器）、７０…真空ダクト、Ｂｆ…四極磁場、Ｂｓ…走査磁場、Ｊ…回転軸、Ｐ…患者、β…粒子線ビーム（ビーム）、ε…重粒子イオン。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】